Diss. ETH No. 9488
Iron-Base
in
Solubility
Nitrogen
Alloys
and Powder
Nitrogen
Metallurgy of High Steels
Stainless
A
dissertation
submitted
to
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
ZURICH, SWITZERLAND for the
of
degree
DOCTOR OF TECHNICAL SCIENCES
presented by Xiao-hong ZHENG Dipl.-Ing. Harbin
of Science and
University Master
Research
of
Technology,
Engineering
Institute of Mechanical
Sciences
CHINA born
in
accepted
November
Heilongjiang,
on
the
6,
1961
China
recommendation
of
Speidel, examiner Prof. Dr. E. Freitag, co-examiner Prof. Dr. H. Feichtinger, co-examiner Prof. Dr. M. O.
Zurich, May
1991
Abstract
have
industrial
work,
fields.
the
iron,
base
alloys from
results
calculating
the
temperature
in
investigated K,
using
has
pressure.
nitrogen solubility
the
the
phase
transformation
results
were
systems, a
contribution
to
a
The
main
motives
the solid
powder solved The
size. in
phase
from
of
addition
X20CrMoV121,
about
solubility by model
on
by
a
parameters
multicomponent
to
Furthermore,
temperature.
Cr2N precipitation
measured
The
interaction
iron
was
1173 which
method
nitrogen
thermodynamic
pure
present
system
to
gradient
related
dependence
the
in
austenite
was
thermodynamic data of nitrogen.
obtained
newly emerging technology, powder metallurgy
of and
Nitriding
nitriding
a
The
producing high nitrogen steels,
for
in
the
on
with
of
solidus
for
state
composition,
of
observed.
directly
be
liquid
the
Fe-Cr-Ni-Mn
of
iron-
interaction
of the
range
from
change
the
alloys
their
as
based
out
wide
solid
range
method.
the
for
well
as
a
the
line
thermodynamic analysis
carried
A
in
statistics
obtained
were
can
evaluated
mathematical
that
in
experimental part
developed temperature
feature
special
the
in
temperature
newly
a
in
the
In
in
analysis of the
and
selection
pure
systematically
is
nitrogen solubility
nitrogen
on
nitrogen activity
and
alloys including
the
solutions
the
permits
powder
and
alloys,
comparison
A
elements
alloying
of
in
the
about
first.
literature
the
parameters
work
reviewed
is
parts
two
various
of research
steels.
stainless
knowledge
The
investigated.
in
applied
iron-base
multicomponent
and
binary
in
nitrogen solubility
the
first part,
and
consists of
solubility
high nitrogen
of
outstanding properties
their
to
investigated
The present thesis
namely nitrogen
metallurgy In
extensively
been
owing
steels
Recently high nitrogen
to
such efforts the
presented the
in
the
powder
conventional of
and
11
a
problem
for the which
smaller must
be
powder metallurgical processing.
several
X3CrMnN1818
is
second part.
higher nitrogen solubility
short diffusional distance
of steel
kinetics
is are
stainless
steel
X2CrNiMol810,
powders, was
first
studied.
The
transfer
during nitriding,
and
the
For
were
mechanical
in
for the
the
flow
gas
inside of
loose
using and
which
types
nitrided
properties that
the
diffusion
consolidated
demonstrated
factors
different
proposed
homogeneity cans
kinetic
nitrogen
investigated. were
two
influence
through the
samples
and
isostatic
hot
microstructure
high nitrogen
steels
produced by the P/M technique.
111
powder
powders
packed
the
the
two
packed powder particle
was
The
were
nitrogen
analyzed. The
pressing (HIP),
investigated. with
mass
nitriding concepts
powder. cans
nitrogen
It
the
and
has
high quality
been
can
be
Zusammenfassung Aufgrund
ihrer
stickstofflegierte bereits
wesentliche
Technik
gefunden.
Teilen,
von
Im
naher
Die
denen
einer
Teil
ersten
der
Eisen
untersucht. Loslichkeit
und
einem
die
Zustand
im
System unter
Stickstoff
von
einer
Verwendung
Veranderungen
der
und
fiir
ein
Abhangigkeit
Modell
Daten
Ein
von
auf
mit
bei
Experiment
Zustand ca.
Fe-Cr-Ni-Mn
1173
K gemessen,
besitzt,
Grundlage
werden
der
fiir
Stahlen,
direkt einem
nach
mathematischen
im die
Statistik
Wechselwirkungsparameter inklusive
Uberdies
Ausscheidung erhaltenen
ihrer
wird
von
Cr2N
eine im
thermodynamischen
durchgefuhrt.
einer
zu
der
dass
Phasenumwandlung
Temperatur. der
wird
im
Bestimmungsmethode
Messwerte
Hilfe
die
Stickstoff
Stickstoff in
von
Im
Besonderheit
entsprechenden
Analyse
der
Pulvermetallurgie rostfreien
die
Die
der
von
Stickstoff
Beitrag
festen
die
genauen
Zusammensetzung,
berechnen.
Solidus bis
von
fiber
werden
auf
Eisenbasis-mehrstoffsystem erzielt,
thermodynamische Austenit
im
welche
die
Aktivitat
in
systematisch
vorgestellt. Nach
neuentwickelten
konnen.
thermodynamischen
zu
Loslichkeit
werden
ausgewertet,
Stickstoff
von
Kenntnisse
chemischer
von
Stickstoffdruck
Temperaturbereich
beobachtet
der
die
in von
behandelt.
Mehrstoffsystemen
um
der zwei
aus
Stickstoff
von
Legierungselemente
ausgewahlt,
Temperaturgradienten,
werden
der
Bereich
und
Loslichkeit
besteht
Loslichkeit
Ubersicht
eine
haben
Gebieten
Pulvermetallurgie
Stahlen
die
und
sind
und
Analysen der vorliegenden Ergebnisse
weiten
Temperatur
die
Stickstoff in der Literatur
von
flussigen
wird
Zwei-
wird
andere
rostfreien
Wechselwirkungsparameter im
Dissertation
Loslichkeit
der
Arbeit
sowie
Zuerst
Vergleichen
die
und
worden
verschiedenen
in
vorliegende
stickstofflegierten
reinem
untersucht
Anwendungen
Eisenbasislegierungen massiv
Eigenschaften
ausgezeichneten
Stahle
die wird
neuentwickelten
Herstellung im
von
zweiten
IV
Technologie, massiv
Teil
der
der
aufgestickten Dissertation
beschrieben. hohere
Die
kleinen
fiir
Hauptgrfinde
Loslichkeit
Das
andere
konventionellen
im
die
Pulverabmessungen,
bedingen.
diese
Stickstoff
von
des
Aufstickungsverfahren
Aufstickungskinetik
von
welches
gelost
sowohl
als
auch
die die
Diffusionswege
im
Rahmen
wurde,
Metallpulvers. einigen
sind
Zustand
kurze
nur
Problem,
Prozesses
Arbeiten
festen
Here
rostfreien
des das
war
wird
die
Stahlpulvern,
X20CrMoV121, X3CrMnN1818 und X2CrNiMol810, untersucht. Zwei kinetikbestimmende Stickstoff sind und Je
bei
zum
loses
einen
die
Typ des
Pulver
aufgestickten in
Faktoren,
einer
den
welche
Aufstickung beeinflussen,
Gasdurchstromung
anderen die Diffusion
zum
nach
der
werden
Pulvers
Eine
vorgestellt. Proben und
von
durch
zwei
wird
Presse
sich
dass
stickstofflegierte
Qualitaten
hergestellt
werden
durch
Die
kompaktiert
und
hohen
Mikrostruktur
v
Kapseln
und
rostfreie
in
werden
danach
die
Es
hat
Stahle
mit
untersucht.
pulvermetallurgische
konnen.
da
Pulverschiittungen
Stickstoffverteilung
erzielt.
Eigenschaften massiv
von
Pulverpartikel. Aufstickungskonzepte fiir
mechanischen
gezeigt,
betrachtet,
Stickstoff in die
homogene
Kapseln
heissisostatischer
Stoffiibergang werden
Technologien